硅光子学已成为当今增长最快行业的推动技术之一。人工智能加速器、超大规模数据中心、激光雷达系统、量子计算以及未来的6G网络都依赖光子集成电路，以传输更多数据且耗电更少。但随着这些设备日益先进，制造它们变得越来越困难。污染是最大且最不显眼的挑战之一。
隐藏的收益杀手
构建光子集成电路是一段漫长的旅程。从晶圆制造和切割到组装、包装和测试，器件在达到最终应用前，经历数十个制造步骤。每一步都带来了污染的风险。粉尘颗粒、抛光残渣、环氧溢出、溶剂残留和空气中的污染物可能会在整个制造过程中沉积在光学元件上。虽然这些颗粒通常微观，但它们的影响远非微观。大多数芯片上，这还算可以管理。在硅光子器件上，这种破坏力可能非常严重。最敏感的部位是光学耦合器，这些结构负责引导光线进出芯片。即使是肉眼看不见的颗粒，也位于这些特征上，也可能增加光学损耗、信号传输损坏和罐体制造产率。物理学不会容忍光线在微米单位结构中被引导时的微小污染。那么，如何清理这么脆弱的东西呢？
问题是：传统清洁在这里不起作用
这些显而易见的做法经不起推敲。机械清洁如棉签、刷子、接触方法风险太大。边缘耦合器由悬浮的硅波导制成，极其脆弱，轻触可能完全损坏。你几乎碰不到的东西是洗不干净的。湿式化学清洁也有自己的问题。它可能留下残留物，带来可靠性问题，而且不一定与所用材料兼容。随着硅光子学向大规模生产推进，行业需要不同的东西：一种精准、完全非接触且对芯片上最敏感部件安全的清洁方法。
另一种方法：清洁颗粒，而不是芯片
在硅光子学中，关键在于光学性能和大批量制造。而在Femtum，我们基于中红外激光清洗开发了一种根本不同的方法。该工艺不处理整个表面，而是利用波长选择性。我们的激光工作在2.78微米波长，该波长中常见污染物能高效吸收激光能量，而硅则保持高度透明。结果非常简单。激光加热的是污染物，而不是下面的硅。在持续仅60纳秒的激光脉冲中，粒子迅速膨胀。根据其大小和成分，它要么干净利落地从表面浮出，要么碎裂成微观碎片。干净干燥的空气流动会立即去除杂质，使光学表面保持干净。在整个过程中，硅基材几乎没有受到加热。
图1 – 中红外激光清洗机制，展示选择性吸收和颗粒去除
它能清洁最脆弱的光子结构吗？
真正的问题不是激光清洁是否有效。关键是它是否适用于制造商最担心损坏的结构。为此，我们评估了光子集成电路中两种最关键的光学接口：边缘耦合器和光栅耦合器。
边缘耦合器
边缘耦合器是光子芯片上最精致的结构之一。其悬浮硅波导极易受机械应力影响，使得传统清洗风险尤为高。中红外激光清洗后，显微镜确认完全清除了碎片，悬浮波导无可测量的结构损伤。
图2 – 激光清洗前后边缘接头。
光栅接头
光栅接头面临的污染类型不同。空气中的颗粒、溶剂残留物和油脂会在细致图案的表面上积累，降低光学耦合效率。仅用4.4 μJ的脉冲能量，不到激光可用功率的8.5%，受污染的光栅耦合器被彻底清洁，底层结构没有明显变化。
图3——激光清洗前后光栅接头。环氧树脂（左）及不同透明基底材料（右）
表面干净，没有光学性能，意义不大
去除可见污染只是挑战的一半。真正的目标是在不引入新损伤的情况下恢复光学性能。为此，硅屑被有意沉积到由两个光栅耦合器通过1.3毫米硅波导连接的光子环回路上。污染使光学透射率在1310纳米处降低了近5分贝。中红外激光净化后，传输恢复到与原始基线相符的测量不确定性。结果表明，该过程不仅去除污染物，还能恢复设备性能。
图4 – 污染前、污染后及激光清洗后的光学透射情况。
足够可靠用于制造
工业流程必须具备可重复性。为了验证长期的稳健性，光栅耦合器使用相同的清洁参数连续进行了100次激光清洗循环。即使多次暴露，高分辨率显微镜也未发现可检测的表面损伤。在24个环回电路中进行的光学测量显示，激光净化设备与未处理对照样品之间无统计学显著差异。换句话说，清洁过程在反复使用后依然有效且无损。
图5—未经处理的光栅耦合器（a）与设备经过100次激光清洗循环后的比较（b）。
展望未来
人工智能基础设施、共包光学、先进传感和下一代通信的快速发展，正对硅光子制造提出了前所未有的要求。随着设备日益复杂，产量规模扩大到数百万台，污染控制将成为实现高产率和稳定性能的关键环节。
中红外激光清洗为制造商提供了专门为这一挑战设计的新工具。流程如下：
1.不接触，消除机械损坏的风险。
2.干式且无化学成分，简化了制造线的集成。
3.选择性去除污染物，同时保持硅原不动。
4.兼容脆弱的光子结构，包括边缘耦合器、光栅耦合器和玻璃上的光纤阵列单元。
5.即使多次清洗，也被证明能保持光学性能。
激光清洁可能永远不会被最终用户看到。但随着硅光子学成为未来计算和通信基础设施的基础，它可能成为制造每一颗芯片最重要的步骤之一。
如果您需要更多关于Femtum激光清洁解决方案的信息，请联系我们，讨论您的挑战。